變速恆頻雙饋風力發電機組開放式併網實驗系統及方法
2023-04-27 01:31:46
變速恆頻雙饋風力發電機組開放式併網實驗系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種變速恆頻雙饋風力發電機組開放式併網實驗系統和方法，應用於一電網中，包括若干熔斷器和若干接觸器，第一、第二電壓電流互感器，一網側變流器，一直流電容，一轉子側變流器和一雙饋發電機，其特徵在於，包括：一可調壓的隔離變壓器，串聯設置在所述電網與所述熔斷器之間串聯，用於手動調節以模擬實現各種電壓幅值的併網；一DSP/FPGA控制系統，根據所述第一電壓電流互感器的採樣信號，控制輸出到所述網側變流器和所述轉子側變流器需要的第一、第二組控制信號；一編碼器，與所述雙饋電機相連，用於檢測所述雙饋電機轉子側的轉速；一光耦隔離單元，連接在所述編碼器和所述FPGA單元之間，用於信號進行濾波處理後輸入至所述FPGA單元。
【專利說明】變速恆頻雙饋風力發電機組開放式併網實驗系統及方法
【技術領域】:
[0001]本發明涉及電力電子控制【技術領域】，特別是涉及基於變速恆頻雙饋風力發電機組開放式併網實驗系統及方法。
【背景技術】:
[0002]隨著人類對能源緊缺和環境汙染問題的持續關注，可再生能源的開發和利用，特別是對風能的開發利用正受到各國的高度重視。
[0003]傳統的恆速恆頻發電方式下，發電機輸出頻率完全取決於風機的速度，發電機併網前必須經過嚴格的同步，併網後也必須嚴格的控制轉速恆定，處理不好可能導致系統的癱瘓或崩潰。
[0004]在變速恆頻風力發電系統中，雙饋發電機和電力系統之間構成了 「柔性連接」，雙饋發電機轉子繞組與幅值、頻率、相位和相序均可調節的四象限變流器相連，可實現發電機定子有功功率和無功功率的解耦控制，提高了電力系統調節的靈活性和動、靜態穩定性；同時，變速恆頻風力發電技術可實現最大風能追蹤，大大提高了能量轉換效率，降低了由風施加到風力機上的機械應力。
[0005]中國的風力發電設備起步較晚，大部分核心控制設備均採用進口設備，以系統集成為主，因此各高校、科研單位迫切需要一套開放式的變速恆頻雙饋發電機組併網實驗系統，另外，對於兆瓦級大型風機的風能研究，也需要設計實驗平臺，模擬風速運行曲線。
【發明內容】
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[0006]針對上述問題，本發明的目的在於，提供一套變速恆頻雙饋風力發電機組的開放式併網實驗系統及方法，主要實現以下功能:設計基於32位高精度、高速DSP單元處理器和FPGA單元協處理器的開放式雙路三相PWM變流器，通過對雙饋發電機定子有功、無功功率的解耦計算，變流器直流側、機側的電流、電壓雙閉環控制，實現對發電機的併網控制。
[0007]為了實現上述發明目的，本發明公開了一種變速恆頻雙饋風力發電機組開放式併網實驗系統，應用於一電網中，包括若干熔斷器和若干接觸器，第一、第二電壓電流互感器，一網側變流器，一直流電容，一轉子側變流器和一雙饋發電機，其特徵在於，包括:
[0008]一可調壓的隔離變壓器，串聯設置在所述電網與所述熔斷器之間串聯，用於手動調節以模擬實現各種電壓幅值的併網；
[0009]一 DSP/FPGA控制系統，根據所述第一電壓電流互感器的採樣信號，控制輸出到所述網側變流器和所述轉子側變流器需要的第一、第二組控制信號；
[0010]一編碼器，與所述雙饋電機相連，用於檢測所述雙饋電機轉子側的轉速；
[0011]一光耦隔離單元，連接在所述編碼器和所述FPGA單元之間，用於信號進行濾波處理後輸入至所述FPGA單元。
[0012]比較好的是，所述DSP/FPGA控制系統進一步包括:
[0013]一電壓電流採集單元，用於採集所述雙饋發電機定子側的電壓、電流信號，所述電網的電壓信號，所述變流器直流側的電壓、電流信號，所述變流器機側的電壓、電流信號，所述電壓電流採集單元進一步包括串聯的一運算放大器和一 AD採集晶片，所述運算放大器的輸入端與所述第一電壓電流互感器的輸出端相連；
[0014]一 FPGA單元，與所述AD採集晶片、所述光耦隔離單元的輸出端相連；
[0015]一 DSP單元，連接所述FPGA單元的輸出端，其第一輸出端連接所述網側變流器的控制端，提供所述第一組控制信號，其第二輸出端連接所述轉子側變流器的控制端，提供所述第二組控制信號。
[0016]比較好的是，所述若干熔斷器包括第一、第二、第三熔斷器，所述若干接觸器包括第一、第二接觸器，其中，所述第一熔斷器和所述第一接觸器串級，連接在所述隔離變壓器和所述網側變壓器之間；所述第二熔斷器和所述第二接觸器串級，連接在所述第二電壓電流互感器和所述雙饋電機之間；所述第三熔斷器和第三接觸器串級，連接在所述雙饋電機和所述電網之間。
[0017]本發明還公開了一種變速恆頻雙饋風力發電機組開放式併網實驗系統的方法，該方法包含:
[0018]步驟一，上電後，通過所述DSP單元控制所述第一、第二、第三接觸器，對所述直流電容進行預充電；
[0019]步驟二，判斷所述直流電容的電壓時否達到預設值，若達到則進行步驟三，若沒有達到返回步驟一；
[0020]步驟三，通過所述DSP單元控制第一接觸器，所述網側變流器上電；
[0021]步驟四，調用所述網側變流器的DSP單元解耦控制，輸出第一組PWM三相控制信號給所述網側變流器；
[0022]步驟五，判斷所述網側變流器的網側輸出是否穩定，若已穩定輸出則進行步驟六，若沒有穩定返回步驟四；
[0023]步驟六，通過所述DSP單元控制所述第二接觸器，使得所述第二電流電壓互感器的機側輸出至所述雙饋電機轉子；
[0024]步驟七，調用所述轉子側變流器的所述DSP單元解耦控制，輸出第二組PWM三相控制信號給所述轉子側變流器；
[0025]步驟八，線性給定所述雙饋電機的轉子勵磁電流至預設值；
[0026]步驟九，判斷所述雙饋電機的定子側輸出電壓是否與期望值相同，若相同則進行步驟十，若不同則繼續調整兩組PWM三相控制信號；
[0027]步驟十，通過所述DSP單元控制所述第三接觸器，使得所述雙饋電機的定子連接至所述電網，實現併網操作；
[0028]步驟^^一,設置給定無功功率值；
[0029]步驟十二，根據所述雙饋電機的轉速、葉尖速比，進行最大風能捕捉。
[0030]比較好的是，所述步驟九的判斷包括幅值、相位、頻率是否與期望值相同。
[0031]本發明的整套系統均採用開放式設計，通過採用FPGA單元、DSP單元的分布式控制實現了對採樣、控制的同步化，提高了控制精度和穩定性；通過串聯隔離變壓器的方式，實現模擬併網，大大增加了實驗的可操作性、對電網的安全性；通過線性的方式逐步增加勵磁電流給定，採用前饋與PID相結合的控制算法，克服了併網衝擊電流大，容易造成裝置損壞的缺點，提聞了系統的穩定性及動態響應。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]下面，參照附圖，對於熟悉本【技術領域】的人員而言，從對本發明方法的詳細描述中，本發明的上述和其他目的、特徵和優點將顯而易見。
[0033]圖1是本系統的結構示意圖；
[0034]圖2是本系統中DSP單元的工作流程圖；
[0035]圖3是本系統中網側變流器的DSP單元解耦控制算法示意圖；
[0036]圖4是本系統中轉子側變流器的DSP單元解耦控制算法示意圖。
【具體實施方式】:
[0037]請參見圖1所示，本發明的系統主要由隔離變壓器1、第一、第二、第三熔斷器21-23、第一、第二、第三接觸器31-33、第一電壓電流互感器4、網側變流器(AC/DC IGBT) 5,直流電容6、轉子側變流器(DC/AC IGBT)7、第二電壓電流互感器8、雙饋發電機9、DSP/FPGA控制系統10、編碼器11和光耦隔離單元12組成。
[0038]第一、第二電壓電流互感器4和8分別用於採集電網、雙饋電機轉子、定子的電壓電流信號；編碼器11用於檢測雙饋電機9轉子側的轉速；DSP/FPGA控制系統10根據採集的電壓電流信號、轉速信號，產生控制網側變流器5的PWM1/2/3信號和轉子側變流器7的PWM4/5/6信號，以此控制轉子電壓，使得雙饋電機定子側產生與期望幅值、相位、頻率的交流電壓，實現併網。
[0039]作為實驗科研設備，為防止在實驗中因為各種原因不滿足併網條件被誤併網，而影響電網穩定性，或實驗中希望模擬併網，在本驅動單元中將電網與熔斷器I之間串聯一個可調壓的隔離變壓器1，實驗或算法研究中，可通過手動調節隔離變壓器I的輸出，模擬實現各種電壓幅值的併網，尤其是進行低電壓併網實驗，既能滿足併網實驗、算法研究的需求，又提高了實驗的安全性。
[0040]進一步可以看到，上述系統中的DSP/FPGA控制系統10包含電壓電流採集單元100、FPGA單元101和DSP單元102組成。
[0041]其中的電壓電流位置採集單元100由運算放大器1001和AD採樣晶片1002組成。
[0042]該採集單元100主要採集雙饋發電機定子側的電壓、電流信號，電網電壓信號，變流器直流側的電壓、電流信號，變流器機側的電壓、電流信號，所有信號經第一、第二電流電壓互感器4、8採樣後輸出至運算放大器1001，然後輸入至AD採樣晶片1002，經晶片1002內採樣保持器、同步採樣、AD轉換後通過FPGA單元101並行總線輸出至DSP單元102。編碼器11將信號經光耦隔離單元12進行濾波處理後輸入至FPGA單元101，將A/B相脈衝的累計值也通過並行總線輸出至DSP單元102。DSP單元102雖然具備AD採樣功能，但為串行採樣，因此不能保證各路信號採集的同步性，而通過FPGA單元101可並行控制多路AD採集晶片1002，實現同步採樣。
[0043]下面結合前述結構框圖，介紹DSP單元102的控制邏輯流程如下:
[0044]S1:系統上電後，通過DSP單元102控制相應繼電器31-33，對直流電容6進行預充電；[0045]S2:判斷電流電容電壓時否達到預設值，若達到則進行S3步驟；
[0046]S3:通過DSP單元控制接觸器31，網側變流器5 (AC/DC IGBT)上電；
[0047]S4:調用網側變流器5的DSP單元解耦控制算法，輸出第一組PWM1/2/3三相控制信號;
[0048]S5:判斷變流器5網側輸出是否穩定，若已穩定輸出則進行S6步驟；
[0049]S6:通過DSP單元控制接觸器32，使得變流器8機側輸出至雙饋電機轉子；
[0050]S7:調用轉子側變流器7的DSP單元解耦控制算法，輸出第二組PWM4/5/6三相控制信號；
[0051]S8:線性給定雙饋電機9的轉子勵磁電流至預設值；
[0052]S9:判斷雙饋電機9的定子側輸出電壓是否與期望值相同(幅值、相位、頻率)？若相同則進行SlO步驟；不同則繼續調整兩組PWM輸出；
[0053]SlO:通過DSP單元102控制接觸器33，使得雙饋電機9的定子連接至電網，實現併網操作；
[0054]Sll:設置給定無功功率值；
[0055]S12:根據雙饋電機9的轉速、葉尖速比，進行最大風能捕捉。
[0056]在上述流程的步驟S8中，線性勵磁電流給定算法具體如下:
[0057]機組啟動過程中，若以階躍的方式給定磁力電流，將會造成系統過衝、過壓現象，導致系統部穩定，本系統中採用線性方式逐步增加勵磁電流給定，建立以下勵磁電流給函數:
[0058]Ir qust=0.03*t+0.05
[0059]式中，Ir qust為勵磁給定電流，t為控制周期。在機組初始運行時給定勵磁電流
0.05(標麼值)，以後每個控制周期，勵磁電流增加0.03(標麼值)，直至達到系統給定值，以此克服過衝、過壓現象，提高裝置可靠性。
[0060]在上述流程的步驟S4中，網側變流器5的DSP單元解耦控制算法如下:
[0061]採用電壓定向控制策略，將d軸定向到網側電壓，網側實現了有功功率和無功功率的解耦，從電網採集電網電壓Uga、Ugb、Ug。，電網電流Iga、Igb, Ig。，經過α β/abc變換、dq/α β變換後分別得到，從變流器直流側採樣直流電壓Ud。，將系統輸入的直流側給定電壓和電網無功功率與反饋值分別進行PID運算、為消除(1、(1軸間電流耦合和消除電網電壓擾動，引入基於電流反饋的《Li,和《Lid電網電壓前饋補償，得到網側的控制電壓，再經dq/α β變換後得到控制PWM1/2/3的控制信號，驅動AC/DC側IGBT。
[0062]在上述流程的步驟S7中，轉子側變流器7的DSP單元102解耦控制算法如下:
[0063]從機側採集到的轉子電流IM、Irb> Irc,從定子側採集到的定子電壓Usa、Usb、Usc,定子電流 Isa、Isb、Is。，經過 α β /abc 變換、dq/ α β 變換後分別得到 Ir(1、Ird, Usq、Usd, Isq> Isd ；
[0064]從編碼器採集到的轉子轉速Θ P從定子電壓採集得到的相位角Q1，分別經過積分、解耦計算後得到Λ Urd,Δ Urq ；
[0065]通過對Usq、Usd和Isq、Isd的功率計算，得到定子側反饋的有功功率Ps和無功功率Qs ；
[0066]根據風機的風速，通過最大風能捕捉算法得到給定的期望有功功率Qs%通過對電網無功功率補償得到給定的期望無功功率ΡΛ經PID運算後得到機側的期望有功、無功電流和再與實際反饋值進行比較，經PID運算、前饋補償去掉由反電動勢引起的交叉耦合項後，得到機側的控制電壓Uj和Un;,再經dq/α β變換後得到控制PWM4/5/6的控制信號，驅動AC/DC側IGBT。
[0067]前面提供了對較佳實施例的描述，以使本領域內的任何技術人員可使用或利用本發明。對這些實施例的各種修改對本領域內的技術人員是顯而易見的，可把這裡所述的總的原理應用到其他實施例而不使用創造性。因而，本發明將不限於這裡所示的實施例，而應依據符合這裡所揭示的原理和新特徵的最寬範圍。
【權利要求】
1.一種變速恆頻雙饋風力發電機組開放式併網實驗系統，應用於一電網中，包括若干熔斷器和若干接觸器，第一、第二電壓電流互感器，一網側變流器，一直流電容，一轉子側變流器和一雙饋發電機，其特徵在於，包括: 一可調壓的隔離變壓器，串聯設置在所述電網與所述熔斷器之間串聯，用於手動調節以模擬實現各種電壓幅值的併網； 一 DSP/FPGA控制系統，根據所述第一電壓電流互感器的採樣信號，控制輸出到所述網側變流器和所述轉子側變流器需要的第一、第二組控制信號； 一編碼器，與所述雙饋電機相連，用於檢測所述雙饋電機轉子側的轉速； 一光耦隔離單元，連接在所述編碼器和所述FPGA單元之間，用於信號進行濾波處理後輸入至所述FPGA單元。
2.根據權利要求1所述的變速恆頻雙饋風力發電機組開放式併網實驗系統，其特徵在於，所述DSP/FPGA控制系統進一步包括: 一電壓電流採集單元，用於採集所述雙饋發電機定子側的電壓、電流信號，所述電網的電壓信號，所述變流器直流側的電壓、電流信號，所述變流器機側的電壓、電流信號，所述電壓電流採集單元進一步包括串聯的一運算放大器和一 AD採集晶片，所述運算放大器的輸入端與所述第一電壓電流互感器的輸出端相連； 一 FPGA單元，與所述AD採集晶片、所述光耦隔離單元的輸出端相連； 一 DSP單元，連接所述FPGA單元的輸出端，其第一輸出端連接所述網側變流器的控制端，提供所述第一組控制信號，其第二輸出端連接所述轉子側變流器的控制端，提供所述第二組控制信號。
3.根據權利要求2所述的變速恆頻雙饋風力發電機組開放式併網實驗系統，其特徵在於， 所述若干熔斷器包括第一、第二、第三熔斷器，所述若干接觸器包括第一、第二接觸器，其中，所述第一熔斷器和所述第一接觸器串級，連接在所述隔離變壓器和所述網側變壓器之間；所述第二熔斷器和所述第二接觸器串級，連接在所述第二電壓電流互感器和所述雙饋電機之間；所述第三熔斷器和第三接觸器串級，連接在所述雙饋電機和所述電網之間。
4.一種應用權利要求3所述變速恆頻雙饋風力發電機組開放式併網實驗系統的方法，該方法包含: 步驟一，上電後，通過所述DSP單元控制所述第一、第二、第三接觸器，對所述直流電容進行預充電； 步驟二，判斷所述直流電容的電壓時否達到預設值，若達到則進行步驟三，若沒有達到返回步驟一； 步驟三，通過所述DSP單元控制第一接觸器，所述網側變流器上電； 步驟四，調用所述網側變流器的DSP單元解耦控制，輸出第一組PWM三相控制信號給所述網側變流器； 步驟五，判斷所述網側變流器的網側輸出是否穩定，若已穩定輸出則進行步驟六，若沒有穩定返回步驟四； 步驟六，通過所述DSP單元控制所述第二接觸器，使得所述第二電流電壓互感器的機側輸出至所述雙饋電機轉子；步驟七，調用所述轉子側變流器的所述DSP單元解耦控制，輸出第二組PWM三相控制信號給所述轉子側變流器； 步驟八，線性給定所述雙饋電機的轉子勵磁電流至預設值； 步驟九，判斷所述雙饋電機的定子側輸出電壓是否與期望值相同，若相同則進行步驟十，若不同則繼續調整兩組PWM三相控制信號； 步驟十，通過所述DSP單元控制所述第三接觸器，使得所述雙饋電機的定子連接至所述電網，實現併網操作； 步驟十一，設置給定無功功率值； 步驟十二，根據所述雙饋電機的轉速、葉尖速比，進行最大風能捕捉。
5.根據權利要求4所述的變速恆頻雙饋風力發電機組開放式併網實驗系統的方法，其特徵在於， 所述步驟九的判斷包括幅值、相位、頻率是否與期望值相同。
【文檔編號】H02J3/38GK103580055SQ201210260130
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年7月18日 優先權日:2012年7月18日
【發明者】趙偉, 陳志傑, 查偉 申請人:上海寰晟新能源科技有限公司